KR200223225Y1 - 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치에 관한 것으로, 선택흡착형 질소산화물 저감촉매와 함께 생성촉매, 산화촉매를 이용하여 GDI, 린번, 디이젤등과 같이 배기내에 다량의 산소와 함께 배출되는 질소산화물 성분을 효과적으로 연속 제거할 수 있는 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 전술한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 배기가스가 통과하는 배기파이프 도중에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부 중간에 설치되어 상기 배기가스 내에 포함되어 있는 질소산화물을 정화하는 선택흡착형 질소산화물 저감 촉매체; 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 저감 촉매체 전방에 위치되어 환원제인 암모니아를 자체 생성하는 암모니아 생성 촉매체 및 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 저감 촉매체 후방에 위치되어 상기 암모니아 생성 촉매체와의 반응후 잔존하는 암모니아 및 상기 배기가스를 정화하는 산화촉매체를 포함하여 이루어진다.

Description

자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치{EXHAUST GAS POST-PROCESSING FOR LEAN BURN ENGINE OF CAR}

본 고안은 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차 연료등과 같은 환원제의 추가 공급 없이도 배기가스중의 질소,질소산화물,산소,수분 및 고온을 이용하여 암모니아를 자체 생성하여 배기가스내에 다량 존재하는 산소성분 때문에 기존의 삼원촉매 또는 환원촉매로는 정화가 어려운 질소산화 성분을 선택흡착형 질소산화물 저감 촉매에서 효율적으로 정화하도록 하는 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 엔진이 작동하는 데에는 실린더내에 혼합기를 흡입하여 연소를 하고, 연소후 발생되는 배기가스를 외부로 배출하여야 하는 바, 이러한 일련의 장치를 흡/배기장치라고 한다.

우선, 흡기장치는 실린더에 흡입하는 공기중의 먼지 등을 제거하는 에어 클리너 및 각 실린더에 혼합기를 분배하는 흡기 매니폴드로 구성되어 있다.

그리고 배기장치는 엔진에서 발생하는 배기가스를 대기중으로 배출하는 것으로 배기가스를 모으는 배기 매니폴드, 배기가스에서 유해물질을 제거하는 촉매 컨버터와 배기 소음을 저감시키는 소음기로 구성되어 있다.

도 1은 이러한 일반적인 배기장치를 도시한 구성도이다. 도 1에 도시된 바와같이, 배기장치(10)는 각 실린더의 배기가스를 종합하는 배기 매니폴드(12), 배기 가스를 대기중으로 배출하는 배기 파이프(14) 및 배기 소음을 저하시키는 소음기(16), 배기 가스중의 유해한 성분을 무해하게 산화/환원시키는 촉매 컨버터(18)로 구성되어 있다.

전술한 촉매 컨버터(18)는 배기 파이프(14) 도중에 설치되는 것으로, 이 속을 통과하는 배기 가스중의 유해한 CO(일산화탄소), HC(탄화수소), NO_X(질소 산화물)을 인체에 무해한 CO₂(이산화탄소), H₂O(물), N₂(질소)로 산화·환원시키는 장치이다.

그리고 촉매 컨버터(18)는 구조상으로 펠리트형(Pellet Type)과 모노리드형(Monolith Type)이 있고, 기능상으로는 산화촉매 컨버터와 삼원촉매 컨버터(3-way catalytic converter)의 2종류가 있다.

우선 산화촉매 컨버터는 촉매 펠리트라고 하는 입상의 알루미나 표면에 촉매작용을 하는 파라듐(Pd) 또는 파라듐+백금(Pt)의 귀금속을 극히 얇게 부착시킨 것으로, 배기가스중의 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 만드는 기능을 갖고 있다.

그리고 삼원촉매 컨버터는 촉매작용을 하는 귀금속 즉, 백금+로듐(Rh) 또는 백금+로듐+파라듐을 사용한 것으로, 배기가스중의 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 저감시키는 기능을 갖고 있으며, 고온에서는 98% 이상을 상회하는 높은 효율성을 갖고 있기 때문에 현재 삼원촉매 컨버터가 가장 많이 사용되고 있다.

한편, 도 2 는 본 고안의 이해를 돕기 위한 것으로, 종래 정치식의 배기 후처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 2 에 도시된 바와같이, 종래 배기 후처리 장치(20)는 선택흡착형 질소산화물 저감 촉매(Selective Catalytic Reduction:이하, 선택흡착형 촉매체라고 약칭함)(22) 전방에는 하이드롤릭 촉매체(24)가 위치되어 있고, 선택흡착형 촉매체(22) 후방측에는 산화촉매체(26)가 위치되어 있다. 선택흡착형 촉매(22)에는 배기가스의 유입과 함께 일련의 암모니아 공급장치를 통해서 암모니아가 공급된다. 상기 일련의 암모니아 공급장치의 구성을 살펴보면, 우선 암모니아를 저장하는 암모니아 저장탱크(31)와, 암모니아를 암모니아 공급 혼합장치(32)에 제공하는 암모니아 공급펌프(33)와, 압축공기를 저장하는 압축공기 저장탱크(34)와, 암모니아 공급 혼합장치(32)로의 압축공기의 공급을 적절히 제어하는 압력제어밸브(35)와, 암모니아 공급 혼합장치(32)내의 암모니아를 공급관(36)을 통해서 하이드롤릭 촉매체(24)측에 공급하는 공급기(37)로 구성되어 있다. 그리고 도면부호중 미설명 부호 38,39,40은 각각 배기 파이프, 암모니아와 질소산화물을 감지하는 센서, 엔진을 보인 것이다.

기존의 가솔린 자동차에 사용 중인 삼원촉매 장치는 공연비가 이론 공연비에 근접할 때에만 유해성분인 미연 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물 세 성분을 동시에 저감시킬 수 있는 한계성을 갖고 있다. 즉, 연료가 농후한 상태에서는 탄화수소, 일산화탄소 성분의 정화가 급격히 저하되고, 공기가 다량 포함한 경우에는 질소산화물 성분의 정화가 급격히 저하되는 단점이 있다.

따라서 연비를 향상시키고 그린 하우스 효과의 주원인인 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 다양한 방면에서 연구가 이루어지고 있는 바, 이러한 연구중의 하나로 린번 엔진(Lean Burn Engine)이나 가솔린 직접 분사엔진(Gasoline Direct Injection Engine: 이하, GDI 라함)에 관련된 기술이 제안되고 있다. 이러한 엔진의 경우, 연비를 향상시키기 위하여 산소가 매우 풍부한 상태에서 연소를 일으키므로 희박 연소조건에 의해 배기에는 10% 이상의 산소와 다량의 질소산화물이 존재 하며 그로 인하여 기존의 삼원촉매 장치로 배기내에 다량 존재하는 질소산화물을 정화하는 데에는 한계성이 있다. 여기에 대중 운송수단의 대부분을 차지하고 있는 디이젤 엔진의 경우 저급 연료를 사용하여 발생하는 미립 물질(Particulate material)과 희박연소로 발생하는 다량의 질소산화물과 산소로 인하여 강화되는 배기규제를 충족시키기 어려운 상황에 있다.

또한, 기존의 환원촉매의 성능을 보강한 질소산화물 제거 촉매(De-NOx Catalyst)가 제안된 바 있으나, 이 경우에도 10% 이상의 산소가 존재하는 희박 연소의 질소산화물 정화에는 부적절한 것으로 알려져 있다.

한편, 선택흡착형 촉매를 사용하는 종래 배기 후처리 장치는 현재 자동차용이 아닌 정치식 내연기관용으로 많이 적용되고 있는 바, 이는 질소산화물의 환원제로 요소를 촉매 전방에서 분사하여 촉매의 환원율을 증가시키기 때문에 정화율도 높고, 연속적으로 정화가 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다. 그러나 이동성이 강조되는 차량에 적용하는 경우 요소와 같은 첨가제의 공급이 정치식에서는 간단하지만 이동식의 경우에는 공급이 어렵고 첨가제 공급장치의 일련의 장비를 차량에 장착하여야 하는 장착상의 여러 가지 문제점으로 인하여 적용이 어려운 실정에 있다.

다시 말하면, 정치식 내연기관용 배기 후처리 장치는 선택흡착형 촉매에 공급되는 암모니아를 공급함에 있어서 외부에 별도로 설치된 일련의 암모니아 공급장치를 통해서 제공하는 방식이므로 그 구성이 복잡할 뿐만 아니라 설비 비용의 증가로 인하여 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.

현재 자동차에 적용되고 있으며 가장 높은 정화율을 보이고 있는 것은 질소산화물 흡착기(NOx Adsorber)를 사용하는 질소산화물 처리용 후처리 장치이다. 이는 연료 희박 영역에서 배출되는 질소산화물을 흡착하였다가 연료 농후 영역에서 배출되는 미연 탄화수소 성분과 일산화탄소를 이용하여 탈착 환원시키는 방식이다. 그러나 이러한 장치 또한 질소산화물 흡착기의 성능에 한계성이 있기 때문에 흡착한 질소산화물을 주기적으로 환원시키는 재생과정이 필수적이다. 따라서 추가의 환원제 공급이 없을 경우 린번 운전중에 연료를 농후하게 제어하여 환원에 필요한 환원제를 공급하여야 하므로 완전 희박연소는 불가능하고 부분 희박연소만이 가능하다. 그에 따라 GDI와 같은 완전 희박연소의 경우에는 그 사용이 제한적일 수 밖에 없으며 또한 연비가 급격하게 저하되는 문제점이 발생된다. 또한 운전자는 연료주입과 함께 첨가제를 지속적으로 보충해야 하는 불편함이 있다.

본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 선택흡착형 촉매와 함께 생성촉매, 산화촉매를 이용하여 GDI, 린번, 디이젤등과 같이 배기내에 다량의 산소와 함께 배출되는 질소산화물 성분을 효과적으로 연속 제거할 수 있는 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 일반적인 배기장치를 도시한 구성도,

도 2 는 종래 린번 엔진용 배기 후처리 장치를 도시한 구성도,

도 3 은 본 고안의 일 실시예에 따른 린번 엔진용 배기 후처리 장치를 도시한 구성도,

도 4 는 본 고안의 다른 실시예를 도시한 구성도.

도 5 는 본 고안의 또 다른 실시예를 도시한 구성도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100:배기 후처리 장치 110:배기파이프

120:하우징 130:선택흡착형 질소산화물 저감 촉매체

140:암모니아 생성 촉매체 150:산화촉매체

160,170:삼원촉매체

본 고안은 암모니아나 2차 연료등과 같은 환원제의 추가 공급없이 배기중에 존재하는 질소, 질소산화물, 산소, 수분 및 고온을 이용하여 암모니아를 자체 생성하도록 함과 동시에 이를 선택흡착형 촉매에 공급하여 배기내에 다량 존재하는 산소 성분에 의해 기존 삼원촉매나 환원촉매로는 정화가 어려운 질소산화물 성분을 선택흡착형 촉매에서 효율적으로 정화하도록 하는 것으로, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 고안은 배기가스가 통과하는 배기파이프 도중에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부 중간에 설치되어 상기 배기가스내에 포함되어 있는 질소산화물을 정화하는 선택흡착형 질소산화물 촉매체; 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 촉매체 전방에 위치되어 환원제인 암모니아를 자체 생성하는 암모니아 생성 촉매체 및 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 촉매체 후방에 위치되어 상기 암모니아 생성 촉매체와의 반응후 잔존하는 암모니아 및 상기 배기가스를 정화하는 산화촉매체를 포함하여 이루어진 특징이 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3 은 본 고안의 일 실시예에 따른 린번 엔진용 배기 후처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 3 에 도시된 바와같이, 본 고안의 배기 후처리 장치(100)는 엔진에서 발생되는 배기가스가 통과하는 배기파이프(110); 상기 배기파이프(110) 도중에 설치되는 하우징(120); 상기 하우징(120)의 내부 중간에 설치되어 상기 배기가스내에 포함되어 있는 질소산화물을 정화하는 선택흡착형 촉매체(130); 상기 하우징(120)의 내부인 상기 선택흡착형 촉매체(130) 전방에 위치되어 환원제인 암모니아를 자체 생성하는 암모니아 생성 촉매체(140) 및 상기 하우징(120)의 내부인 상기 선택흡착형 촉매체(130) 후방에 위치되어 상기 암모니아 생성 촉매체(140)와의 반응후 잔존하는 암모니아 및 상기 배기가스(미연 탄화수소,일산화탄소)를 정화하는 산화촉매체(150)로 이루어진다.

다시 말하면, 엔진의 작동중 발생되는 배기가스는 배기파이프(110)를 통해 외부로 배출되는 바, 상기 배기파이프(110) 도중에는 하우징(120)이 설치되어 있다.

상기 하우징(120)의 내부에는 순차적으로 암모니아 생성 촉매체(140), 선택흡착형 촉매체(130), 산화촉매체(150)가 위치되어 있다. 즉, 선택흡착형 촉매체(130) 전방에는 환원제인 암모니아를 자체 생성하는 암모니아 생성 촉매체(140)가 소정간격으로 위치되어 있으며, 상기 선택흡착형 촉매체(130) 후방에는 상기 암모니아 생성 촉매체(140)와의 반응후 잔존하는 암모니아 및 상기 배기가스(미연 탄화수소,일산화탄소)를 정화하는 산화촉매체(150)가 소정간격으로 위치되어 있다.

도면 부호중 미설명 부호 112는 배기가스가 흐르는 배기파이프와 하우징을 연결하는 플랜지를 보이는 것이다.

이와 같이 구성된 본 고안의 일 실시예에 따른 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 3 에 도시된 바와같이, 본 고안의 배기 후처리 장치(100)는 환원제인 암모니아를 별도의 공급장치 및 저장탱크 없이 암모니아 생성 촉매체(140)를 선택흡착형 촉매체(130) 전방에 위치시켜 배기내에 다량 존재하는 질소산화물과 산소 및 고온을 이용하여 배기 자체내에서 암모니아를 생성하고 이를 선택흡착형 촉매체(130)로 공급한다. 이때 암모니아 생성과정에서, 배기내에 존재하는 질소산화물과 산소는 소모되어 감소되며, 나머지 성분은 선택흡착형 촉매체(130)에서 정화시키게 된다.

이와 동시에, 생성된 암모니아 가스가 선택흡착형 촉매체(130)에서 미처 완전히 소모되지 않고 대기중으로 배출되는 것을 방지하여 대기오염을 방지하여야 하는 바, 이를 위하여 선택흡착형 촉매체(130) 후방에는 산화촉매체(150)가 위치되어 암모니아와 산소를 반응시켜 질소와 수분으로 정화하여 배출시키게 된다.

이하에서는 선택흡착형 촉매체(130)에서 질소산화물을 정화하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

상기 식 1에서 볼 수 있듯이 선택흡착형 촉매체(130)는 배기중에 있는 다량의 질소산화물과 산소를 촉매로 흡착한 후 여기에 환원제로 암모니아를 사용하여 이를 인체에 무해한 질소와 수분으로 정화한다. 여기서 환원제인 암모니아 대용으로 배기내에 존재하는 미연탄화수소, 일산화탄소, 수소등이 사용될 수 있으나 배기중에 있는 이들성분의 양이 질소산화물의 양에 비해서 소량이기 때문에 암모니아 추가 공급은 필수적이다.

상기 식 1의 반응에 필요한 암모니아는 다음의 식을 낮은 에너지로 하는 암모니아 촉매로 생성 공급되는 바, 이러한 일련의 과정을 살펴보면 다음과 같다.

암모니아 생성촉매(120)로는 Al₂O_3,K₂O, CaO, MgO 등을 사용하며, 이들을 개별적으로 사용할 수도 있지만 이들을 동시에 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 예시된 촉매는 암모니아를 공업적으로 대량 생산하는 과정에서 발견된 것으로 본 고안에서는 이들의 원리를 이용하여 이들 촉매들을 배기 후처리 담체에 담지하여 기존의 자동차용 배기 후처리 장치의 하드웨어를 최대 활용하는 것이 바람직하며, 상기 식 2내지 식 4에서 알 수 있듯이 질소산화물 일부가 소모됨을 알 수 있다.

선택흡착형 촉매체(130)에서 반응을 미처 하지 못한 암모니아가 대기중으로 그냥 배출되는 것을 방지하기 위해서는 이들 촉매 후방에 산화촉매체(150)를 설치하는 것이 바람직하다. 산화촉매체(150)는 다음의 식 5와 같이 암모니아와 산소를 반응시켜서 인체에 무해한 질소 가스와 수분으로 정화하여 배출하는 역할을 한다.

전술한 산화촉매체(150)는 암모니아 뿐만 아니라 냉시동 초기에 운전성 확보를 위해 연료를 이론공연비 근처에서 운전하는 경우 다량 발생하는 미연 탄화수소 성분과 일산화탄소를 정화하는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 연료 희박영역에서 미약하게 발생하는 탄화수소 성분이 환원제로 사용되지 못하고 그냥 배출되는 경우에도 이들을 정화할 수 있는 것이다.

한편, 도 4 는 본 고안의 다른 실시예를 도시한 구성도이다. 도 4에 도시된 바와같이, 상기 선택흡착형 촉매체(130) 후방에는 산화촉매체(150)와 함께 삼원촉매체(160)를 설치하여 초과 공급된 암모니아를 정화할 뿐만 아니라 질소산화물의 환원반응에도 관여하여 질소산화물을 미량이나마 정화하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 도면에는 도시하지 않았으나 산화촉매체 대신 삼원촉매체만을 설치할 수도 있다.

또한, 도 5 는 본 고안의 또 다른 실시예를 도시한 구성도이다. 도 5에 도시된 바와같이, 고속 고부하 조건에서 운전되는 경우, 연료와 공기를 이론공연비 영역에서 운전하도록 엔진 엔진에어를 하는 경우를 위하여 암모니아 생성 촉매체(140) 전방에 삼원촉매체(170)를 추가로 더 설치하여 배기가스의 정화효율을 증대시킬 수 있다.

본 고안은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 고안의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 고안에 따르면 암모니아나 2차 연료 등과 같은 환원제의 추가 공급 없이도 배기중에 존재하는 질소, 질소산화물, 산소, 수분 및 고온을 이용하여 암모니아를 자체 생성하여 배기내에 다량 존재하는 산소 성분에 의해 삼원촉매나 환원촉매로는 정화하기 어려운 질소산화물 성분을 효과적으로 정화하도록 함으로써 암모니아 공급을 위한 일련의 장치가 필요하지 않게 된다.

따라서 전체적인 구성이 단순해지고 그 구성의 단순화로 인하여 제조 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 정화효율이 향상됨은 물론 2차 연료를 공급하지 않기 때문에 연비를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 배기가스가 통과하는 배기파이프 도중에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부 중간에 설치되어 상기 배기가스내에 포함되어 있는 질소산화물을 정화하는 선택흡착형 질소산화물 촉매체; 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 촉매체 전방에 위치되어 환원제인 암모니아를 자체 생성하는 암모니아 생성 촉매체 및 상기 하우징의 내부인 상기 선택흡착형 질소산화물 촉매체 후방에 위치되어 상기 암모니아 생성 촉매체와의 반응후 잔존하는 암모니아 및 상기 배기가스를 정화하는 산화촉매체를 포함하여 이루어진 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 산화촉매체의 위치에 이와 함께 삼원촉매를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 암모니아 생성촉매체 전방에는 삼원촉매체를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 자동차의 린번 엔진용 배기 후처리 장치.